海岸侵蝕的內部動力

海岸防護

ShoreProtection第3章海岸侵蝕的內部動力

Chapter3-InternalDynamicofCoastalErosion

§3海岸侵蝕的內部動力§3.1潮汐和潮流§3.2風暴潮§3.3風和波浪§3.4近岸波浪流§3.1潮汐和潮流§3.1.1潮汐§3.1.2潮流§3.1.1潮汐定義與分類（廣義）定義由于日、月引潮力的作用，使地球的巖石圈、水圈和大氣圈中分別產生的周期性的運動和變化，總稱潮汐。分類地潮（固體潮汐）：固體地球在日、月引潮力作用下引起的彈性-塑性形變海潮（海洋潮汐）：海水在日、月引潮力作用下引起的海面周期性的升降、漲落與進退氣潮（大氣潮汐）大氣各要素（如氣壓場、大氣風場、地球磁場等）受引潮力的作用而產生的周期性變化§3.1.1潮汐由于海潮現(xiàn)象十分明顯，且與人們的生活、經濟活動、交通運輸?shù)汝P系密切，因而習慣上將潮汐一詞狹義理解為海洋潮汐。說文解字大海之水，朝生為潮，夕生為汐——（海洋）潮汐§3.1.1潮汐潮汐要素高潮/滿潮：潮汐漲落一周期內最高的潮位低潮/干潮：潮汐漲落一周期內最低的潮位漲潮：從低潮到高潮的過程中，水位逐漸上升的過程落潮：從高潮到低潮的過程中，水位逐漸下降的過程平潮：高潮前后的一段時間內海面處在不漲不落的平衡狀態(tài)停潮：低潮前后的一段時間內海面處在不漲不落的平衡狀態(tài)高潮時：平潮的中間時低潮時：停潮的中間時潮差：相鄰高低潮潮位之差高潮高：海面上漲到最高位置時的高度低潮高：海面下降到最低位置時的高度§3.1.1潮汐§3.1.1潮汐潮汐要素平均高潮間隙：每天月中天時刻至高潮時的時間間隔的長期平均值平均低潮間隙：每天月中天時刻至低潮時的時間間隔的長期平均值§3.1.1潮汐潮汐類型（漲落周期）半日潮型：一個太陰日（24小時50分）內出現(xiàn)兩次高潮和兩次低潮，前一次高潮和低潮的潮差與后一次高潮和低潮的潮差大致相同，漲潮過程和落潮過程的時間也幾乎相等（6小時12.5分）。我國渤海、東海、黃海的多數(shù)地點為半日潮型，如大沽、青島、廈門等。正規(guī)半日潮：在一個太陰日內，有兩次高潮和兩次低潮，從高潮到低潮和從低潮到高潮的潮差幾乎相等，這類潮汐就叫做正規(guī)半日潮。不正規(guī)半日潮：在一個朔望月中的大多數(shù)日子里，每個太陰日內一般可有兩次高潮和兩次低潮；但有少數(shù)日子，第二次高潮很小，半日潮特征就不顯著，這類潮汐就叫做不正規(guī)半日潮?！?.1.1潮汐潮汐類型（漲落周期）全日潮型：一個太陰日內只有一次高潮和一次低潮。如南海汕頭、渤海秦皇島等。南海的北部灣是世界上典型的全日潮海區(qū)。正規(guī)日潮：在一個太陰日內只有一次高潮和一次低潮。不正規(guī)日潮：這類潮汐在一個朔望月中的大多數(shù)日子里具有日潮型的特征，但有少數(shù)日子則具有半日潮的特征。混合潮型：一個朔望月中有些日子出現(xiàn)兩次高潮和兩次低潮，但兩次高潮和低潮的潮差相差較大，漲潮過程和落潮過程的時間也不等；而另一些日子則出現(xiàn)一次高潮和一次低潮。我國南海多數(shù)地點屬混合潮型。如榆林港，十五天出現(xiàn)全日潮，其余日子為不規(guī)則的半日潮，潮差較大。§3.1.1潮汐潮汐的不等現(xiàn)象日不等一個太陰日內，相鄰的高潮和低潮的潮高和潮時不等的現(xiàn)象半月不等一個月內大潮小潮依次更替，潮差變化兩個周期的現(xiàn)象月不等年不等多年不等§3.1.1潮汐潮汐的形成原因地球上的海水受月球（太陽）引力和其繞地月（地日）公共質心運動產生的慣性離心力的合力作用，即引潮力地球上不同地方的水質點所受月球（太陽）引力大小不一樣，但引力方向均指向月球球心慣性離心力的大小都相等，方向都背離月球（太陽），而且彼此平行月球引潮力是太陽引潮力的2.17倍其他星球在地球上也有類似的引潮力，但非常小可以忽略§3.1.1潮汐潮汐的形成原因§3.1.1潮汐潮汐的形成原因§3.1.1潮汐兩種潮汐理論平衡潮理論（潮汐靜力理論）地球為一個圓球，其表面完全被等深的海水所覆蓋，不考慮陸地的存在海水沒有粘性，也沒有慣性，海面能隨時與等勢面重疊海水不受地轉偏向力和摩擦力的作用潮汐動力理論對海水運動來說，只有水平引潮力才是重要的，而引潮力的鉛直分量（鉛直引潮力）和重力相比非常小，因此鉛直引潮力所產生的作用只是使重力加速度產生極微小的變化，故不重要。海洋潮汐實際上指的是海水在月球和太陽水平引潮力作用下的一種潮波運動，即水平方向的周期運動和海面起伏的傳播，海洋潮波在傳播過程中，除了受引潮力作用之外，還受到海陸分布、海底地形（如水深）、地轉偏向力（即科氏力）以及摩擦力等因素的影響?！?.1.1潮汐兩種潮汐理論引潮力的鉛垂分量和水平分量§3.1.1潮汐潮汐預報基于潮汐靜力理論和實測資料調和分析法建立在假想天體和分潮概念上假想天體：把具有復雜周期的潮汐看作是許多周期長短各異的潮汐疊加而成的，而且假設與每一個這樣周期的潮汐都對應有一個天體分潮：這些假想天體對海水所引起的潮汐常用的有8個分潮和3個淺水分潮淺水分潮是由于潮波在淺水區(qū)的變形干涉引起的§3.1.1潮汐分潮符號（即假想天體符號）名稱周期（平太陽時）相對振幅（?。?＝100）半日分潮M2太陰主要半日分潮12.421100S2太陽主要半日分潮12.00046.5N2太陰橢率主要半日分潮12.65819.1K2太陰－太陽赤緯半日分潮11.96712.7全日分潮K1太陰－太陽赤緯全日分潮23.93454.4O1太陰主要全日分潮25.81941.5P1太陽主要全日分潮24.06619.3Q1太陰橢率主要全日分潮26.8687.9淺水分潮M4太陰淺水1/4日分潮6.210M6太陰淺水1/6日分潮6.140MS4太陰、太陽淺水1/4日分潮6.103

常用分潮及其周期、相對振幅§3.1.1潮汐潮汐類型的區(qū)分正規(guī)半日潮0<(HK1+Ho1)/HM2≤0.5；0<(HK1+Ho1)/(HM2+HS2)≤0.25不正規(guī)半日潮0.5<(HK1+Ho1)/HM2≤2.0；0.25<(HK1+Ho1)/(HM2+HS2)≤1.5不正規(guī)全日潮2.0<(HK1+Ho1)/HM2≤4.0；1.5<(HK1+Ho1)/(HM2+HS2)≤3.0正規(guī)全日潮4.0<(HK1+Ho1)/HM2；3.0<(HK1+Ho1)/(HM2+HS2)§3.1.2潮流定義指海水在天體引潮力作用下所形成的周期性水平運動運動形式回轉流在開闊海區(qū)，受地球偏轉力影響而形成旋轉流往復流在海峽、水道、河口或狹窄港灣內的潮流，因受到地形的約束，主要在兩個方向上往復變化§3.1.2潮流潮流和潮位當波峰（高潮）到達時，流速最大波峰過后流速減慢，在半潮面時流速為0，發(fā)生轉流當波谷（低潮）到到達時，流速最大波谷過后流速減慢，在半潮面時流速為0，發(fā)生轉流§3.1.2潮流潮流和潮位漲潮落潮流潮位從潮谷開始上漲至中潮位，潮流流速從最大減小至0漲潮漲潮流潮位從中潮位上漲至高潮位，潮流流速從0增大至最大落潮漲潮流潮位從高潮位下降至中潮位，潮流流速從最大減小至0落潮落潮流潮位從中潮位下降至低潮位，潮流流速從0增至最大§3.1.2潮流潮流類型規(guī)則半日潮流(WK1+WO1)/WM2≤0.5不規(guī)則半日潮流0.5<(WK1+WO1)/WM2≤2.0

不規(guī)則全日潮流2.0<(WK1+WO1)/WM2≤4.0規(guī)則全日潮流4.0<(WK1+WO1)/WM2WK1、WO1、WM2分別表示K1、O1和M2分潮流的最大流速§3.1.2潮流潮余流由于摩擦、海底地形、邊界條件等原因，潮流產生非線性現(xiàn)象所導致的余流潮余流分類Euler（歐拉）余流潮流（u,v）在一個周期T內的時間平均值Lagrange（拉格朗日）余流歐拉余流+Stokes漂流§3.2風暴潮定義強烈的大氣擾動（如熱帶氣旋、溫帶氣旋、強冷空氣活動）所引起的海面異常升降現(xiàn)象說明不是周期性的水面升降運動如果正好遇上天文大潮，兩者重合、疊加，就會造成水位暴漲§3.2風暴潮分類及特點由熱帶風暴（臺風、颶風等）引起的熱帶風暴潮來勢兇猛，速度快，強度大，風暴潮潮位較高，破壞力大由溫帶氣旋和冷空氣活動而產生的溫帶氣旋風暴潮具有強度弱，移動緩慢和持續(xù)性等特點形成條件強勁持久的向岸或離岸大風有利的海岸地形和具有廣闊的海域天文大潮與其疊加§3.3風和波浪§3.3.1風§3.3.2波浪§3.3.1風風速、風向（觀測站資料）風速：規(guī)定觀測時刻前10分鐘的平均風速，以(m/s)計風向：規(guī)定觀測時刻前1分鐘到規(guī)定觀測時刻為止所出現(xiàn)的風向的傾向，按16方位表示最大風速：某一期間中出現(xiàn)的平均風速中的最大值極大風速/最大瞬間風速：某一期間中出現(xiàn)的平均風速中的最大值與瞬間變化風速（瞬間風速）的最大值常風向/盛行風向：在一定期間內，觀測值中出現(xiàn)次數(shù)最多的風向強風向：在一定期間內，觀測值中出現(xiàn)最大風速的風向§3.3.1風風況圖/風玫瑰圖根據(jù)工程規(guī)劃設計需要，常把風的觀測資料分別按季節(jié)、年度、多年統(tǒng)計繪制成各級風的風向頻率圖風玫瑰圖通用程序風玫瑰圖§3.3.1風最大風速是海岸、港口工程設計所需的一項重要氣象動力因素中國沿海最大風速地理分布(1960～1969)概況一般沿海島嶼的最大風速比大陸岸邊的大渤海與黃海沿岸12級（≥22.7m/s）的最大風速多出現(xiàn)于秋末至次年春初寒潮及氣旋活動頻繁時期，風向多偏北東海與南海沿岸12級以上的最大風速，一般出現(xiàn)于夏、秋之間的臺風季節(jié)，各方向的風都有東海沿岸大風最多，其次是黃、渤海沿岸，南海沿岸大風最少§3.3.1風風作用力概述風是空氣運動而形成的風具有動能，當一個結構物置于風路上時，就會擋住運動的空氣或使其路徑改變，這樣風的動能就會全部或部分的傳遞到結構物上形成壓能，任何結構物上的風力是由壓差決定的風力是風速、風向、結構物的面積及形狀的函數(shù)§3.3.1風風作用力美國石油協(xié)會風力公式F=0.0473v2CsA，v為海面上10m高度的持續(xù)風速（km/h），Cs為形狀系數(shù)，A為物體的投影面積（m2）任意高度處的風速：v=v10(y/10)x，y為海面上任意點高度（m），x為指數(shù)美國船級社風力公式F=0.0623vk2ChCsA，Ch為高度系數(shù)挪威船級社風力公式F=ρ/2vty2CAsinα，vyt=γv10(y/10)β，ρ為空氣的質量密度；vty為海面上高度y米處，在時間t內的風速；α為風向與結構軸線的夾角；γ為陣風因子；β為高度因子；v10為海面以10m高處一小時內的平均風速§3.3.2波浪波浪的產生風吹過海面時，通過壓力和摩擦力作用將能量傳遞給海水，使海水質點離開平衡位置作圓周運動，海面隨之發(fā)生周期性起伏，形成波浪。波高和周期取決于風速、風時和風區(qū)長度。波浪分類（根據(jù)不同的周期或頻率）表面張力波（T<0.1s）短周期重力波（0.1s<T<1s）重力波（1s<T<30s）長周期重力波（30s<T<5min）長周期波（5mins<T<12～24h）超長周期波（T>12～24h）§3.3.2波浪波浪分類（根據(jù)不同的周期或頻率）§3.3.2波浪波浪分類（根據(jù)理論研究）小振幅波/艾里波/正弦波/線性波波陡H/L→無限??；H/d→無限小非線性的自由表面邊界條件可以線性化

適用于波高較小的波浪運動有限振幅波波陡H/L→有限必須考慮自由表面的非線性影響常用的非線性波：余擺線波（格斯特納波）：水質點運動不符合實際STOKES波橢圓余弦波：計算不方便孤立波等：橢圓余弦波的一種極限情況§3.3.2波浪波浪分類（根據(jù)波浪形態(tài)）規(guī)則波波面光滑、波形規(guī)則，波峰波谷明顯，二維性質顯著涌浪接近規(guī)則波不規(guī)則波波形雜亂，波高、波周期和波浪傳播方向不定，三維性質明顯大洋中的風浪為不規(guī)則波§3.3.2波浪波浪分類（根據(jù)傳播海域的水深）相對水深：水深/波長深水波h/L≥0.5有限水深波0.5<h/L<0.05淺水波h/L≤0.05§3.3.2波浪波浪分類（根據(jù)運動狀態(tài)）振蕩波：水質點運動每經過一個周期后沒有明顯的向前移動，即各質點基本上圍繞其靜止位置沿著某種固有軌跡運動。（風成波）推進波：波剖面對某一參照點作水平運動。立波：波剖面無水平運動，只有上、下振動。推移波：水質點具有一個與波浪傳播方向相同的推移，在任一時刻任一斷面上，沿水深的各質點具有幾乎相同的速度。（潮波、地震波、洪水波）§3.3.2波浪振蕩波立波推移波§3.3.2波浪波浪分類（根據(jù)破碎與否）破碎波未破碎波破后波§3.3.2波浪波浪分類（根據(jù)是否受風的直接作用）風浪在風直接作用下產生的水面波動。波型雜亂，波高和周期以及波向不定，呈現(xiàn)不規(guī)則的隨機現(xiàn)象。涌浪風浪離開風吹的區(qū)域后所形成的波浪。波形規(guī)則，具有明顯的波峰和波谷?！?.3.2波浪波浪要素波峰（wavecrest）波谷（wavetrough）波長（L）波高（H）振幅（A）：A=1/2*H波陡（δ）周期（T）波速（C）：C=L/T頻率（f）：f=1/T波數(shù)（κ）：κ=2π/L角頻率（ω）：ω=2π/T=2πf§3.3.2波浪波浪要素§3.3.2波浪波浪要素波向線表示波浪傳播方向的線波峰線與波向線正交并通過波峰的線群速度波的包絡傳播的速度實際上就是波實際前進的速度形象一點說，你拿電鉆在一個很堅固的墻上鉆洞，你會覺得電鉆的鉆頭的螺紋在旋轉時似乎以高速前進，但這只是你的錯覺，因為你看到的是螺紋的“相速度”，雖然很快，但是你的電鉆卻很慢很慢地向墻內推進，也就是說電鉆的總的向前推進的速度就是“群速度”。如果墻壁很硬，你的電鉆根本就鉆不進去，電鉆向前推進的速度為“0”，但是你從電鉆的螺紋上看卻總是覺得電鉆是不斷鉆進去的。Cg=nC0§3.3.2波浪群速度和波速包絡線示意圖§3.3.2波浪群速度和波速群速度和相速度（深水條件下，Cg=1/2C0）§3.3.2波浪波浪參數(shù)的統(tǒng)計平均波高均方根波高§3.3.2波浪波浪參數(shù)的統(tǒng)計累積頻率為F(%)的波高HF

實際海面上不規(guī)則波列所出現(xiàn)的概率F對應的波高。如H1%即為F=1%的波高1/10大波波群或觀測的全部波浪中，按波高大小的順序，就相當于總數(shù)的1/10的大波及對應其波高的周期，進行平均得到的波浪，并以H1/10和T1/10表示。(所有的波高由大到小排列，取前面的十分之一來做平均的波高)有效波高或1/3大波波群或全部觀測記錄中，按波高大小順序，就相當于總數(shù)的1/3的大波及對應其波高的周期，進行平均得到的波浪，稱為有效波，并以H1/3或Hs和T1/3或Ts表示?！?.3.2波浪波浪參數(shù)的統(tǒng)計§3.3.2波浪波浪在近岸的變形在近岸帶（nearshorezone），當波浪從深水向岸傳播進入淺水區(qū)時，由于受水深變淺、地形變化以及底摩擦的影響，波長（L）、波高(H)、波陡(δ)、波速(C)等會發(fā)生一系列的變化。完整的波浪向岸入射變化過程，包括折射、淺水、繞射、反射、能量耗散以及與水流的非線性相互作用。波浪的破碎：當波浪到達海灘并在水深與波高大致相當時，就發(fā)生破碎，波峰本身向前傾倒或崩解為氣泡和浪花。崩波（Spillingbreakers）：波浪逐漸變陡，直到波峰變得不穩(wěn)定而以氣泡和浪花瀑布似的落下卷波（plungingbreakers）:波浪的情形是波浪向岸面變?yōu)橹绷?，進而上部發(fā)生彎曲，最后以整個水體向下傾倒激波（Surgingbreakers）:波浪向上聳起，仿佛要傾倒，但波底卻向攤面上部沖激致使波峰崩潰而消失§3.3.2波浪§3.3.2波浪波浪在近岸的變形波浪的折射：波浪一旦進入淺水區(qū)就受到“折射作用”。在折射過程中，波浪傳播的方向隨水深的逐漸變淺而改變，改變的結果使波峰逐漸與等深線趨于平行。波浪的反射：波浪傳播運動的前方，遇到陡峭的障礙物，由于物壁的反作用，使部分波浪運動返回形成反射波。反射波和入射波疊加形成駐波。波浪的繞射：當波浪傳入近岸，因受防波堤等障礙物的阻攔，將從低端侵入堤內的隱蔽凈水域，波峰線變形，改變了前進方向，能量在前進方向的一側擴散，波高遞減。把這種能量在前進方向上的擴散稱為繞射?！?.3.2波浪§3.4近岸波浪流近岸區(qū)流動海岸流：一般在破碎帶鄰近及其外緣水深